تشكيل الحقن للهياكل البلاستيكية الحرارية الموحدة عالية الأداء: عالم المركبات

من خلال الجمع بين الشريط المضفر والقولبة الزائدة وقفل الشكل، ينتج البطل عمود تروس من قطعة واحدة وعزم دوران عالي كدليل لمجموعة واسعة من التطبيقات.

عمود نقل الحركة المركب الموحد.تستخدم شركة Herone أشرطة مسبقة الصنع مركبة من البلاستيك الحراري المضفر كتشكيلات مسبقة لعملية تعمل على دمج صفائح عمود الإدارة وتشكيل العناصر الوظيفية مثل التروس، مما يؤدي إلى إنتاج هياكل موحدة تقلل الوزن وعدد الأجزاء ووقت التجميع والتكلفة.المصدر لجميع الصور |com.herone

وتدعو التوقعات الحالية إلى مضاعفة أسطول الطائرات التجارية على مدى السنوات العشرين المقبلة.لاستيعاب ذلك، تتراوح معدلات الإنتاج في عام 2019 للطائرات ذات الجسم العريض كثيفة المواد المركبة من 10 إلى 14 شهريًا لكل مصنع تصنيع أصلي، في حين أن الهياكل الضيقة قد ارتفعت بالفعل إلى 60 شهريًا لكل مصنع تصنيع أصلي.تعمل شركة إيرباص على وجه التحديد مع الموردين لتحويل الأجزاء التقليدية التي تستغرق وقتًا طويلاً، والتي يتم تركيبها يدويًا على طائرة A320 إلى الأجزاء المصنوعة من خلال عمليات دورة زمنية أسرع مدتها 20 دقيقة مثل قولبة نقل الراتنج عالي الضغط (HP-RTM)، وبالتالي مساعدة الجزء يلبي الموردون دفعة إضافية نحو 100 طائرة شهريًا.وفي الوقت نفسه، يتوقع سوق التنقل والنقل الجوي الحضري الناشئ الحاجة إلى 3000 طائرة إقلاع وهبوط عمودي كهربائي (EVTOL) سنويًا (250 طائرة شهريًا).

يقول دانييل بارفوس، المؤسس المشارك والشريك الإداري لشركة هيرون (دريسدن، ألمانيا)، وهي شركة تعمل في مجال تكنولوجيا المواد المركبة وتصنيع الأجزاء: "تتطلب الصناعة تقنيات إنتاج مؤتمتة مع دورات زمنية قصيرة تسمح أيضًا بدمج الوظائف، التي تقدمها المركبات البلاستيكية الحرارية". شركة تستخدم مواد مصفوفة لدن بالحرارة عالية الأداء بدءًا من بولي فينيلين كبريتيد (PPS) إلى بولي إيثيريثيركيتون (PEEK) وبولي إيثيركيتون كيتون (PEKK) وبولي أريل إيثركيتون (PAEK)."هدفنا الرئيسي هو الجمع بين الأداء العالي للمركبات البلاستيكية الحرارية (TPCs) والتكلفة المنخفضة، لتمكين الأجزاء المخصصة لمجموعة واسعة من تطبيقات التصنيع التسلسلية والتطبيقات الجديدة،" يضيف الدكتور كريستيان جارثاوس، المؤسس المشارك الثاني ومدير شركة هيرون. شريك.

ولتحقيق ذلك، طورت الشركة نهجًا جديدًا، بدءًا من أشرطة الألياف المستمرة والمشربة بالكامل، وتجديل هذه الأشرطة لتكوين "أنبوب عضوي" مجوف ودمج الأنابيب العضوية في مقاطع ذات مقاطع عرضية وأشكال متغيرة.وفي خطوة عملية لاحقة، يتم استخدام قابلية اللحام وقابلية التشكيل الحراري لـ TPCs لدمج العناصر الوظيفية مثل التروس المركبة على أعمدة الإدارة، أو التركيبات النهائية على الأنابيب، أو عناصر نقل الحمل في دعامات ضغط التوتر.يضيف بارفوس أن هناك خيارًا لاستخدام عملية قولبة هجينة - تم تطويرها من قبل مورد مصفوفة الكيتون Victrex (كليفليز، لانكشاير، المملكة المتحدة) ومورد قطع الغيار Tri-Mack (بريستول، رود آيلاند، الولايات المتحدة) - التي تستخدم شريط PAEK بدرجة حرارة ذوبان منخفضة للملفات الشخصية و PEEK للإفراط في القولبة، مما يتيح مادة واحدة مدمجة عبر الوصلة (راجع "Overmolding يوسع نطاق PEEK في المواد المركبة").ويضيف: "إن تكيفنا يتيح أيضًا قفل الشكل الهندسي، مما ينتج هياكل متكاملة يمكنها تحمل الأحمال الأعلى".

تبدأ عملية البطلين بأشرطة بلاستيكية حرارية معززة بألياف الكربون مشبعة بالكامل والتي يتم تجديلها في أنابيب عضوية ودمجها.يقول جارتهاوس: "لقد بدأنا العمل مع هذه الأنابيب العضوية منذ 10 سنوات، لتطوير أنابيب هيدروليكية مركبة للطيران".ويوضح أنه نظرًا لعدم وجود أنابيب هيدروليكية للطائرتين لها نفس الشكل الهندسي، ستكون هناك حاجة إلى قالب لكل منها، باستخدام التكنولوجيا الحالية."كنا بحاجة إلى أنبوب يمكن معالجته لاحقًا لتحقيق الشكل الهندسي الفردي للأنبوب.لذلك، كانت الفكرة هي إنشاء مقاطع مركبة متواصلة ومن ثم ثنيها باستخدام الحاسب الآلي في الأشكال الهندسية المطلوبة.

الشكل 2. توفر أشرطة التقوية المضفرة أشكالًا شبكية الشكل تسمى الأنابيب العضوية لعملية تشكيل حقن البطلين وتتيح إنتاج أشكال مختلفة.

يبدو هذا مشابهًا لما تفعله شركة Sigma Precision Components (هينكلي، المملكة المتحدة) (انظر "معالجة محركات الطائرات باستخدام الأنابيب المركبة") من خلال تلبيس المحرك المصنوع من ألياف الكربون/نظرة خاطفة.يوضح جارتهاوس: "إنهم يبحثون في أجزاء متشابهة ولكنهم يستخدمون طريقة دمج مختلفة"."من خلال نهجنا، نرى إمكانية لزيادة الأداء، مثل المسامية الأقل من 2% لهياكل الطيران."

دكتوراه جارتهاوس.استكشفت أعمال الأطروحة في ILK استخدام بولتروسيون مركب لدن بالحرارة المستمر (TPC) لإنتاج أنابيب مضفرة، مما أدى إلى عملية تصنيع مستمرة حاصلة على براءة اختراع لأنابيب TPC وملامحها.ومع ذلك، في الوقت الحالي، اختارت شركة هيرون العمل مع موردي وعملاء الطيران باستخدام عملية قولبة متقطعة.ويوضح قائلاً: "يمنحنا هذا الحرية في صنع جميع الأشكال المختلفة، بما في ذلك المقاطع المنحنية وتلك ذات المقاطع العرضية المتفاوتة، بالإضافة إلى تطبيق الرقع المحلية والطبقات المنسدلة"."نحن نعمل على أتمتة عملية دمج التصحيحات المحلية ومن ثم دمجها مع ملف التعريف المركب.في الأساس، كل ما يمكنك القيام به باستخدام الصفائح والأغلفة المسطحة، يمكننا القيام به للأنابيب والمقاطع."

يقول جارتهاوس إن صنع هذه المقاطع المجوفة لـ TPC كان في الواقع أحد أصعب التحديات."لا يمكنك استخدام تشكيل الطوابع أو النفخ باستخدام المثانة السيليكون؛لذلك، كان علينا تطوير عملية جديدة.لكنه يشير إلى أن هذه العملية تتيح أداءً عاليًا للغاية وأجزاء قابلة للتخصيص على شكل أنبوب وعمود.كما أنها مكّنت من استخدام القالب الهجين الذي طورته Victrex، حيث يتم الإفراط في قولبة PAEK بدرجة حرارة ذوبان منخفضة باستخدام PEEK، مما يؤدي إلى دمج الصفائح العضوية وقولبة الحقن في خطوة واحدة.

جانب آخر ملحوظ لاستخدام أشرطة التشكيل العضوية المضفرة هو أنها تنتج القليل جدًا من النفايات."مع التضفير، لدينا أقل من 2% من النفايات، ولأنه شريط TPC، يمكننا استخدام هذه الكمية الصغيرة من النفايات مرة أخرى في القالب الزائد للحصول على معدل استخدام المواد يصل إلى 100%،" يؤكد Garthaus.

بدأ Barfuss وGarthaus أعمالهما التطويرية كباحثين في معهد هندسة الوزن الخفيف وتكنولوجيا البوليمرات (ILK) في جامعة TU Dresden.ويشير بارفوس إلى أن "هذا أحد أكبر المعاهد الأوروبية للمواد المركبة والتصميمات الهجينة خفيفة الوزن".لقد عمل هو وجارثاوس هناك لمدة 10 سنوات تقريبًا في عدد من التطورات، بما في ذلك pultrusion TPC المستمر وأنواع مختلفة من التوصيل.تم استخلاص هذا العمل في نهاية المطاف إلى ما يعرف الآن بتقنية معالجة TPC البطلة.

يقول بارفوس: "تقدمنا ​​بعد ذلك بطلب إلى برنامج EXIST الألماني، الذي يهدف إلى نقل هذه التكنولوجيا إلى الصناعة وتمويل ما بين 40 إلى 60 مشروعًا كل عام في مجموعة واسعة من المجالات البحثية"."لقد تلقينا تمويلًا للمعدات الرأسمالية وأربعة موظفين والاستثمار للخطوة التالية من التوسع."لقد شكلوا هيرون في مايو 2018 بعد العرض في JEC World.

بحلول JEC World 2019، أنتجت شركة هيرون مجموعة من الأجزاء التجريبية، بما في ذلك عمود نقل الحركة خفيف الوزن، وعزم الدوران العالي، وعمود التروس المتكامل، أو عمود التروس.يشرح بارفوس: "نحن نستخدم أنبوبًا عضويًا من ألياف الكربون / شريط PAEK مضفرًا بالزوايا التي يتطلبها الجزء وندمجها في أنبوب"."ثم نقوم بعد ذلك بتسخين الأنبوب عند درجة حرارة 200 درجة مئوية، ثم نقوم بتشكيله باستخدام ترس مصنوع عن طريق حقن نظرة خاطفة قصيرة معززة بألياف الكربون عند درجة حرارة 380 درجة مئوية."تم تصميم نموذج overmolding باستخدام Mouldflow Insight من Autodesk (سان رافائيل، كاليفورنيا، الولايات المتحدة).تم تحسين وقت ملء القالب إلى 40.5 ثانية وتم تحقيقه باستخدام آلة التشكيل بالحقن ALLROUNDER من Arburg (Lossburg، ألمانيا).

ولا يؤدي هذا الإفراط في القولبة إلى تقليل تكاليف التجميع وخطوات التصنيع والخدمات اللوجستية فحسب، بل إنه يعزز الأداء أيضًا.إن الفرق البالغ 40 درجة مئوية بين درجة حرارة ذوبان عمود PAEK ودرجة حرارة تروس PEEK المفرطة التشكيل يتيح رابطة ذوبان متماسكة بين الاثنين على المستوى الجزيئي.يتم تحقيق النوع الثاني من آلية الربط، وهو قفل الشكل، باستخدام ضغط الحقن لتشكيل العمود بالحرارة في نفس الوقت أثناء القولبة الزائدة لإنشاء كفاف قفل الشكل.ويمكن ملاحظة ذلك في الشكل 1 أدناه باسم "تشكيل الحقن".إنه يخلق محيطًا مموجًا أو جيبيًا حيث يتم ربط الترس مقابل مقطع عرضي دائري أملس، مما يؤدي إلى شكل قفل هندسي.يؤدي هذا إلى تعزيز قوة عمود التروس المدمج، كما هو موضح في الاختبار (انظر الرسم البياني في أسفل اليمين).1. تم تطويره بالتعاون مع Victrex و ILK، يستخدم البطل ضغط الحقن أثناء التشكيل الزائد لإنشاء محيط قفل الشكل في عمود التروس المدمج (أعلى). تسمح عملية تشكيل الحقن هذه لعمود التروس المدمج مع قفل الشكل (المنحنى الأخضر على الرسم البياني) الحفاظ على عزم دوران أعلى مقابل عمود نقل الحركة المقولب بشكل زائد دون قفل الشكل (منحنى أسود على الرسم البياني).

يقول جارتهاوس: "يحقق الكثير من الأشخاص ترابطًا متماسكًا متماسكًا أثناء عملية التشكيل المفرط، ويستخدم آخرون قفل الشكل في المواد المركبة، ولكن المفتاح هو الجمع بين الاثنين في عملية واحدة تلقائية".ويوضح أنه بالنسبة لنتائج الاختبار في الشكل 1، تم تثبيت كل من العمود والمحيط الكامل للترس بشكل منفصل، ثم تم تدويرهما للحث على تحميل القص.يتم وضع علامة على الفشل الأول على الرسم البياني بدائرة للإشارة إلى أنه يتعلق بأداة نظرة خاطفة زائدة عن الحاجة دون قفل النموذج.يتم تمييز الفشل الثاني بدائرة مجعدة تشبه النجمة، مما يشير إلى اختبار ترس مقولب بشكل زائد مع قفل الشكل.يقول جارتهاوس: "في هذه الحالة، يكون لديك وصلة متماسكة ومقفلة الشكل، وستحصل على زيادة بنسبة 44% تقريبًا في حمل عزم الدوران".ويقول إن التحدي الآن هو جعل القفل يتحمل الحمل في مرحلة مبكرة لزيادة عزم الدوران الذي سيتعامل معه عمود التروس هذا قبل الفشل.

هناك نقطة مهمة حول قفل الشكل الكنتوري الذي يحققه البطل من خلال تشكيل الحقن وهو أنه مصمم بالكامل للجزء الفردي والتحميل الذي يجب أن يتحمله هذا الجزء.على سبيل المثال، في عمود التروس، يكون قفل الشكل محيطيًا، ولكن في دعامات ضغط التوتر الموجودة بالأسفل، يكون محوريًا.يقول جارتهاوس: "لهذا السبب فإن ما قمنا بتطويره هو نهج أوسع نطاقًا"."إن كيفية دمج الوظائف والأجزاء تعتمد على التطبيق الفردي، ولكن كلما تمكنا من القيام بذلك، زاد الوزن والتكلفة التي يمكننا توفيرها."

كما أن الكيتون المقوى بالألياف القصيرة المستخدم في العناصر الوظيفية المفرطة في التشكيل مثل التروس يوفر أسطح تآكل ممتازة.لقد أثبتت Victrex ذلك وفي الواقع، تقوم بتسويق هذه الحقيقة لمواد PEEK وPAEK الخاصة بها.

يشير بارفوس إلى أن عمود التروس المدمج، الذي تم تكريمه بجائزة JEC العالمية للابتكار لعام 2019 في فئة الطيران، هو "دليل على نهجنا، وليس مجرد عملية تركز على تطبيق واحد".أردنا استكشاف مدى قدرتنا على تبسيط التصنيع واستغلال خصائص TPCs لإنتاج هياكل وظيفية ومتكاملة.تعمل الشركة حاليًا على تحسين قضبان ضغط الشد المستخدمة في تطبيقات مثل الدعامات.

الشكل 3: دعامات ضغط الشد، يمتد تشكيل الحقن إلى الدعامات، حيث يقوم البطل بتركيب عنصر نقل الحمل المعدني في هيكل الجزء باستخدام قفل الشكل المحوري لزيادة قوة الوصل.

العنصر الوظيفي لدعامات ضغط الشد هو جزء واجهة معدني ينقل الأحمال من وإلى الشوكة المعدنية إلى الأنبوب المركب (انظر الرسم التوضيحي أدناه).يتم استخدام التشكيل بالحقن لدمج عنصر إدخال الحمل المعدني في هيكل الدعامة المركب.

ويشير إلى أن "الفائدة الرئيسية التي نقدمها هي تقليل عدد الأجزاء"."وهذا يبسط التعب، وهو ما يشكل تحديا كبيرا لتطبيقات دعامة الطائرات.يتم استخدام القفل النموذجي بالفعل في المركبات المتصلدة بالحرارة مع إدخال بلاستيكي أو معدني، ولكن لا يوجد ترابط متماسك، لذا يمكنك الحصول على حركة طفيفة بين الأجزاء.ومع ذلك، فإن نهجنا يوفر هيكلًا موحدًا بدون مثل هذه الحركة.

يستشهد Garthaus بتحمل الضرر باعتباره تحديًا آخر لهذه الأجزاء.ويوضح قائلاً: "عليك أن تؤثر على الدعامات ثم تقوم بإجراء اختبار التعب"."نظرًا لأننا نستخدم مواد مصفوفة لدن بالحرارة عالية الأداء، يمكننا تحقيق قدر أكبر من تحمل الضرر بنسبة تصل إلى 40% مقارنة بالمواد المتصلدة بالحرارة، كما أن أي شقوق صغيرة ناجمة عن التأثير تنمو بشكل أقل مع تحميل الكلال."

على الرغم من أن الدعامات التوضيحية تظهر ملحقًا معدنيًا، إلا أن البطل يعمل حاليًا على تطوير حل من اللدائن الحرارية بالكامل، مما يتيح الترابط المتماسك بين جسم الدعامة المركب وعنصر إدخال الحمولة.يقول جارتهاوس: "عندما نستطيع ذلك، نفضل أن نبقى مركبين ونقوم بتعديل الخصائص عن طريق تغيير نوع تقوية الألياف، بما في ذلك الكربون والزجاج والألياف المستمرة والقصيرة"."بهذه الطريقة، نقوم بتقليل التعقيد ومشكلات الواجهة.على سبيل المثال، لدينا مشاكل أقل بكثير مقارنة بالجمع بين المواد الصلبة بالحرارة واللدائن الحرارية.بالإضافة إلى ذلك، تم اختبار الرابطة بين PAEK وPEEK بواسطة Tri-Mack وأظهرت النتائج أنها تتمتع بنسبة 85% من قوة صفائح CF/PAEK الأساسية أحادية الاتجاه كما أنها أقوى بمرتين من الروابط اللاصقة باستخدام لاصق فيلم إيبوكسي المتوافق مع معايير الصناعة.

يقول بارفوس إن شركة هيرون لديها الآن تسعة موظفين وتتحول من مورد لتطوير التكنولوجيا إلى مورد لقطع غيار الطيران.خطوتها الكبيرة التالية هي تطوير مصنع جديد في مدينة دريسدن.ويقول: "بحلول نهاية عام 2020، سيكون لدينا مصنع تجريبي لإنتاج أجزاء السلسلة الأولى"."نحن نعمل بالفعل مع مصنعي المعدات الأصلية في مجال الطيران والموردين الرئيسيين من المستوى الأول، ونعرض تصميمات للعديد من أنواع التطبيقات المختلفة."

تعمل الشركة أيضًا مع موردي eVTOL ومجموعة متنوعة من المتعاونين في الولايات المتحدة. ومع نضوج تطبيقات الطيران، فإنها تكتسب أيضًا خبرة تصنيعية في تطبيقات السلع الرياضية بما في ذلك الخفافيش ومكونات الدراجات.يقول جارتهاوس: "يمكن لتقنيتنا إنتاج مجموعة واسعة من الأجزاء المعقدة مع الأداء ومدة الدورة وفوائد التكلفة"."إن وقت الدورة باستخدام PEEK هو 20 دقيقة، مقابل 240 دقيقة باستخدام التقوية المسبقة المعالجة بالأوتوكلاف.نحن نرى مجالًا واسعًا من الفرص، ولكن في الوقت الحالي، ينصب تركيزنا على إدخال تطبيقاتنا الأولى في الإنتاج وإظهار قيمة هذه الأجزاء في السوق.

ستقدم Herone أيضًا عرضًا في Carbon Fiber 2019. تعرف على المزيد حول الحدث على Carbonfiberevent.com.

من خلال التركيز على تحسين وضع اليد التقليدية، يلقي مصنعو الكنة وعكس الدفع أعينهم على الاستخدام المستقبلي للأتمتة والقولبة المغلقة.

يكتسب نظام أسلحة الطائرات الأداء العالي للكربون/الإيبوكسي مع كفاءة القولبة بالضغط.

تتيح طرق حساب تأثير المواد المركبة على البيئة إجراء مقارنات تعتمد على البيانات مع المواد التقليدية على أرض الملعب.